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[闲聊] 病毒宏转录组分析揭示了沙鼠中RNA病毒的多样性和传染性 ...

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Gohell 发表于 2022-7-7 23:55:19 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
本期分享的研究利用美格基因提供的病毒宏转录组测序技术，在沙鼠中发现了高度多样性的逆转录病毒、黄病毒、肺炎病毒和小双节RNA病毒以及其他人畜共患病毒，表明人畜共患病毒在沙鼠中普遍存在。关注美格基因公众号，后台回复0613，即可下载文章原文~
病毒宏转录组分析揭示了沙鼠中RNA病毒的多样性和传染性

病毒宏转录组分析揭示了沙鼠中RNA病毒的多样性和传染性 ... 第1张图片
作者：Han Du, Lijuan Zhang, Xinqiang Zhang, Fengze Yun, Yuhao Chang, Awaguli Tuersun, Kamila AIsaiti and Zhenghai Ma *等
期刊：Viruses
DOI：10.3390/v14020356
一、文章摘要
摘要：啮齿类动物是广泛的人畜共患病毒的已知宿主，并且具有在人类居住地栖息的倾向。因此，有必要对啮齿类动物携带的潜在新发人畜共患病毒进行鉴定和分类。本研究利用病毒宏转录组测序技术，对来自新疆的大沙鼠（Rhombomys opimus）、子午沙鼠（Meriones meridianus）和长爪沙鼠（Meiones unguiculataus）共32只样本进行了动物源性病毒检测和病毒特性分析。总共鉴定了1848个对啮齿类动物和人类以及其他野生动物具有潜在致病性的病毒基因组，包括逆转录病毒科(Retroviridae)、黄病毒科(Flaviviridae)、肺炎病毒科(Pneumoviridae)、小双节RNA病毒科(PicoBirnaviridae)、内罗病毒科(Nairoviridae)、沙粒病毒科(Arenaviridae)、肝炎病毒科(Hepeviridae)、白纤病毒科(Phenuiviridae)、弹状病毒科(Rhabdoviridae)、杯状病毒科(Caliciviridae)、呼肠孤病毒科(Reoviridae)、冠状病毒科(Coronaviridae),正粘病毒科(Orthomyxoviridae),周布尼亚病毒科(Peribunyaviridae)和微小RNA病毒科(Picornaviridae)家族。此外，在心肺组织匀浆中发现了一种新的啮齿动物肝炎病毒基因型，系统发育分析显示其与中国内蒙古地区已报道的啮齿动物肝炎病毒分离株rTMM-HCV/IM2014亲缘关系最近。此外，在肠道和肝脏中发现了9个与小双节RNA病毒（PBV）相关的新的基因型病毒序列，其具有双片段基因组，属于小双节RNA病毒科，由3个片段I和6个片段II序列组成。通过RNA测序，我们在沙鼠中发现了高度多样性的逆转录病毒、黄病毒、肺炎病毒和小双节RNA病毒以及其他人畜共患病毒，表明人畜共患病毒在沙鼠中普遍存在。
二、材料方法
将来自新疆阜康市梧桐沟沙漠的32只沙鼠样本，按照心脏（X）、肝脏（G）、脾脏（P）、肺（F）、肾脏和膀胱（SP）、大脑（N）、肠（十二指肠、直肠、盲肠；C）的组织分类进行取材和混样，构建了7个文库。
三、主要结果
1.物种分类注释结果分析
测序reads经过数据质控和去除核糖体以及宿主序列后，与NCBI的NT数据库进行比对。在比对结果中包含了38个病毒家族和一些未分类的家族，其中分布最广的病毒家族是黄病毒科（Flaviviridae）、逆转录病毒科(Retroviridae)、内罗病毒科（Nairoviridae）、肌病毒科（Myoviridae）和疱疹病毒科（Herpesviridae）（图1）。通过病毒宏转录组分析，与这些家族相关的病毒reads占病毒总序列的88.86%。这些来自动物、昆虫、植物和细菌的病毒reads揭示了病毒具有高度的多样性。那些能同时感染脊椎和无脊椎动物的病毒家族，如呼肠孤病毒科（Reoviridae）、披膜病毒科（Togaviridae）、虹彩病毒科（Iridoviridae）等，是潜在的媒介传播病毒家族，并且在心脏、脑、肾和膀胱等内脏中更普遍存在。

病毒宏转录组分析揭示了沙鼠中RNA病毒的多样性和传染性 ... 第2张图片

图1. 病毒reads分布和组成

2.序列组装分析与基因预测
我们将clean reads进行从头组装，去除被鉴定为DNA病毒的contig，保留那些鉴定为RNA病毒或者无法确定是RNA或DNA病毒的contig，最终我们得到了1848个鉴定为已知病毒或新病毒的序列。对这些序列的分析表明，这些序列可归属于19个不同的病毒家族。最常见的病毒序列来自于感染哺乳动物的病毒，其次是可感染各种昆虫或植物的病毒（图2）。

病毒宏转录组分析揭示了沙鼠中RNA病毒的多样性和传染性 ... 第3张图片

图2. 不同组织中病毒contig的分布

大约98.92%（n=1828）的序列注释到脊椎动物病毒科，总共包括15个病毒科。最常见的是逆转录病毒科(Retroviridae)，在脊椎动物病毒中所占比例最高，为78.79%。其次是黄病毒科(Flavivirida)，占7.52%。值得注意的是，肺炎病毒科(Pneumoviridae)、小双节RNA病毒科(PicoBirnaviridae)和内罗病毒科（Nairoviridae）分别贡献了1%到5%的脊椎动物感染病毒序列，而其他重要的脊椎动物病毒科，如沙粒病毒科（Arenaviridae）、肝炎病毒科（Hepeviridae）、白纤病毒科(Phenuiviridae)、弹状病毒科（Rhabdoviridae）、杯状病毒科（Caliciviridae）、呼肠孤病毒科(Reoviridae)、冠状病毒科(Coronaviridae)、正粘病毒科(Orthomyxoviridae)，周布尼亚病毒科(Peribunyaviridae)和微小RNA病毒科(Picornaviridae)分别贡献了不到1%的序列。
将clean reads重新比对到contig并计算每个病毒contig的RPKM值。结果表明，黄病毒科、沙粒病毒科和逆转录病毒科成员的丰度最高，图3展示了前30的contig丰度热图。使用Prokka软件对总共772个contig进行ORF预测，得到的基因序列通过BLAST软件和NCBI病毒数据库进行比对，根据每个contig中预测的基因数目，分别统计只有一个基因（649个）、两个基因（38个）和三个以上基因（12个）的contig数目。

病毒宏转录组分析揭示了沙鼠中RNA病毒的多样性和传染性 ... 第4张图片

图3. 丰度前30的contig热图

3.具有人畜共患潜能的脊椎动物病毒家族
3.1 逆转录病毒科
内源性逆转录病毒存在于几乎所有动物的基因组中，包括鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳动物。在这里，来自7个文库的1456个contig被鉴定为逆转录病毒科的成员。物种水平分类注释表明存在人类逆转录病毒，如人类乳腺肿瘤逆转录病毒、人类内源性逆转录病毒H、K和W等，在100-1381 bp的序列匹配长度上具有63–100%的一致性。最令人感兴趣的是一个5367个核苷酸和一个4025个核苷酸长度的序列，表明存在莫洛尼鼠肉瘤病毒（M-MSV）和鼠白血病病毒（MuLV），相似性分别为76.19%和66.59%。
3.2 黄病毒科
黄病毒科（Flaviviridae）是一种包膜正链RNA病毒，主要感染哺乳动物，且通过节肢动物媒介（主要是蜱和蚊子）进行传播，是具有人畜共患潜力的脊椎动物病毒，其丰度仅次于逆转录病毒科。共鉴定出139个contig，其中Hecivirus（HVs）占近一半。与数据库中参考病毒序列的比对一致性在66.37-93.44%之间，比对长度在100-6598 bp之间。从心脏、肝脏和肺脏中分离到的类鼠肝炎病毒contig，序列长度分别为6598bp、3277bp和2840bp，与从啮齿类动物分离的鼠肝炎病毒的同源性分别为71.85%、72.90%和69.85%。最长contig是从心脏中分离得到，占总参考基因组的73.40%。该contig与参考序列中的RdRp序列具有高度的同源性。它可能与2018年从内蒙古啮齿动物中分离的病毒株相同。
3.3 小双节RNA病毒科
小双节RNA病毒（PBV）是一种小的无包膜的双链RNA病毒，在哺乳动物、鸟类、无脊椎动物和环境样本中经常被检测到，可能与动物和人类的胃肠炎有关。有趣的是，在肠道组织的contig中，我们发现了包括猪、猫、鼠、旱獭、鼠、人、山羊、兔、猫鼬和鸡的小双节RNA病毒。结果表明，有两个旱獭小双节RNA病毒和一个山羊小双节RNA病毒的序列，相似性分别为66.22%、70.19%和69.71%。三个序列中的第一个与PBV的片段I比对，后两个与猪、猫相关以及两个与旱獭相关的小双节RNA病毒基因，与病毒RdRp序列的比对长度分别为1639bp、1080bp、1023bp和1137bp，序列相似性分别为82.67%、68.43%、69.89%和70.98%。此外，两个类似于小双节RNA病毒的序列，序列比对长度为1591和1079bp处，与RdRp序列的相似性分别为73.29%和77.02%，这暗示与PBV的片段II相关。
3.4 低丰度病毒
与类肺炎病毒、类沙粒病毒、类白纤病毒、类杯状病毒、类肝炎病毒、类正粘病毒、类周布尼亚病毒、类弹状病毒、类冠状病毒、类小双节RNA病毒和类呼肠孤病毒相关的病毒序列的比对长度较短，相似性的差异也比较大。此外，所有的类肺炎病毒序列与人类正肺病毒的相似性程度不同，从65.78%到76.85%不等。我们仅发现一个类α冠状病毒序列，相似性水平为78.22%，比对长度为34个氨基酸。所有5个类弹状病毒科序列都与兴山阿尔法病毒（Xingshan alphanemrhavirus）相似，表明存在哺乳动物弹状病毒。
4.新病毒基因组序列的鉴定
通过序列组装，我们共鉴定出10个几乎完整的新转录组序列，包括啮齿类肝炎病毒相关病毒（GenBank accession No.：OM179960）和9个PBV，包括3个片段I和6个片段II序列（GenBank accession No.：OM142648–OM142656）。
4.1 黄病毒科
肝炎病毒基因组由长约10kb的非片段单链RNA组成，其编码翻译成多蛋白的单个ORF。从NCBI数据库获得来自不同宿主（包括人类、蝙蝠、啮齿动物和其他哺乳动物）的黄病毒科（Flaviviridae）四个属的全部或部分基因组基因进行系统发育分析，结果表明，8508bp的序列与从啮齿类动物分离的鼠肝炎病毒（KY370092.1）的亲缘关系最近。它们都聚集在黄病毒科的肝炎病毒中（图4)。

病毒宏转录组分析揭示了沙鼠中RNA病毒的多样性和传染性 ... 第5张图片

图4. 肝炎病毒和其他黄病毒科成员的系统发育关系


4.2 小双节RNA病毒科
PBV的基因组由两个片段组成。大片段含有两个开放阅读框，分别编码一个多聚蛋白（ORF1）和一个衣壳蛋白（ORF2），多聚蛋白可自切割产生成熟的外壳蛋白。小基因组片段含有编码病毒RNA依赖的RNA聚合酶（RdRp）的单个ORF。基于RdRp基因，PBV被分为不同的基因群。在肠道和肝脏中共鉴定出9个新的基因型病毒序列，包括3个片段I和6个片段II序列。在使用片段I的ORF1和ORF2构建的两个系统发育树中，三个片段I序列聚类在不同的分支中。系统发育分析表明，PBV序列分布在由片段II的RdRp基因构建的整个系统发育树中，具有高度多样性，且与PBV毒株基因群I和基因群II 的核苷酸具有68.42–82.67%一致性（图5)。

病毒宏转录组分析揭示了沙鼠中RNA病毒的多样性和传染性 ... 第6张图片

图5. PVB系统发育树

四、讨论
该研究详细描述了存在于野生啮齿类动物不同组织中的核心RNA病毒。在检测到的不同病毒科中，逆转录病毒科、内罗病毒科、黄病毒科和小双节RNA病毒科是主要的动物源性病毒家族。还发现了低丰度但高传染性的人畜共患病毒，如啮齿类动物携带的与肺炎病毒、沙粒病毒、白纤病毒、杯状病毒、肝炎病毒、正粘病毒、周布尼亚病毒、弹状病毒、冠状病毒和微小RNA病毒相关的病毒序列，这表明啮齿类动物作为人畜共患病毒的天然宿主所携带的病毒具有多样性。虽然数据显示只有一个contig被注释为冠状病毒，但这并不能证实啮齿类动物中冠状病毒的存在。这可能是由于病毒宏转录组技术的局限性，我们无法彻底了解宿主动物携带的病毒的多样性和丰富性。然而，一些研究表明，啮齿类动物可能是冠状病毒的中间宿主。这提示我们需要进一步探索病毒宿主间复杂的病毒生态圈，发现人畜共患病毒的来源和传播方式。
啮齿动物可以作为许多动物源性病毒的潜在宿主，这些病毒可以在自然宿主中稳定存在，并且不会引起临床症状。然而，当这些病毒打破物种屏障感染人类时，往往会对人类健康造成巨大威胁。近70%或更多的引起新传染病的病毒是动物来源的。它们的基因组序列与已知病原体的基因组序列有很大不同。本研究中鉴定了许多啮齿动物病毒种属，其中大多数与先前在世界范围内的啮齿动物中检测到的病毒序列相关。因此，动物病毒的鉴定对于了解动物疾病、人类病毒的起源和进化以及新发感染的人畜共患病宿主具有重要意义。病毒的流行病学特征、分子流行病学趋势、分布以及病毒和宿主的多样性仍有待研究，这必将对未来人类应对新出现的动物源性传染病爆发产生积极作用。需要进一步的研究来调查啮齿类动物作为自然宿主传播病毒的能力，并阐明人畜共患病毒感染对人类健康的真正影响。

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标签：人畜共患病rna病毒逆转录病毒转录组传染性
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